Un nuevo tipo de sensor de presión basado en la luz podría permitir la creación de pieles artificiales sensibles para dar a los robots un mejor sentido del tacto. monitores de presión arterial portátiles para humanos y dispositivos y pantallas táctiles ópticamente transparentes.

En la revista Optical Society (OSA) Letras de óptica , los investigadores informan sobre un sensor que detecta la presión al analizar los cambios en la cantidad de luz que viaja a través de pequeños túneles incrustados en polidimetilsiloxano (PDMS), un tipo común de silicona. El flexible El dispositivo transparente es sensible incluso a una presión suave y es menos propenso a fallar en comparación con los tipos anteriores de sensores de presión. También debería ser factible incorporar los sensores ópticos integrados en una gran superficie, dicen los investigadores.

"La lámina de silicona se puede colocar en paneles de visualización para permitir pantallas táctiles, o se puede envolver en superficies de robot como una capa de piel artificial para interacciones táctiles, "dice Suntak Park, Instituto de Investigaciones en Electrónica y Telecomunicaciones, Daejeon, Corea del Sur. "Teniendo en cuenta que el PDMS es un producto biocompatible muy conocido, material no tóxico, la hoja del sensor puede incluso aplicarse sobre o dentro del cuerpo humano, por ejemplo, para controlar la presión arterial ".

La medición de la distribución de la presión sobre una superficie curva puede ser importante en áreas de investigación como la aerodinámica y la dinámica de fluidos. Park dice que los sensores podrían ser útiles para estudiar los efectos relacionados con la presión en las superficies de los aviones, automóviles y barcos.

Evitando interferencias

La mayoría de los sensores de presión existentes se basan en componentes electrónicos. Sensores piezorresistivos, por ejemplo, que se utilizan a menudo como acelerómetros, caudalímetros y sensores de presión de aire, cambian su resistencia eléctrica cuando se someten a esfuerzos mecánicos. El problema con los sistemas electrónicos es que pueden estar sujetos a interferencias electromagnéticas de fuentes de energía, instrumentos cercanos y objetos cargados. También contienen componentes metálicos, que puede bloquear la luz y estar sujeto a corrosión.

"Nuestro enfoque está casi libre de tales problemas porque el dispositivo sensor está incrustado en el medio de una hoja hecha de caucho de silicona, "dice Park". En comparación con los enfoques eléctricos, Nuestro enfoque óptico es particularmente adecuado para aplicaciones que aprovechan la viabilidad de un área grande, resistencia a las interferencias electromagnéticas, y alta transparencia visual ".

Detectando la presión con la luz

El dispositivo funciona midiendo el flujo de luz a través de un par de tubos minúsculos dispuestos con precisión conocida como matriz fotónica de unión de túnel. "La matriz fotónica de unión en túnel sensible a la presión consta de canales de guía de luz donde la presión externa cambia el brillo de la luz transmitida a través de ellos, ", Dice Park. Esto es similar a cómo funciona una válvula o un grifo en un nodo de división del flujo".

Los tubos o guías de ondas, corren en paralelo entre sí y están integrados en PDMS. En parte de su longitud están lo suficientemente cerca como para que la luz pase a través del primer tubo, canal 1, puede pasar al segundo, canal 2. Cuando se aplica presión, el PDMS está comprimido, cambiando el espacio entre los canales y permitiendo que más luz se mueva hacia el canal 2. La presión también causa un cambio en el índice de refracción del PDMS, alterando la luz.

La luz ingresa al dispositivo a través de una fibra óptica en un extremo y es recolectada por un fotodiodo en el otro. A medida que aumenta la presión, más luz termina en el canal 2 y menos en el canal 1. Medir el brillo de la luz que sale del extremo más alejado de cada canal les dice a los investigadores cuánta presión se aplicó.

Aunque se han desarrollado otros sensores ópticos de presión, este es el primero en incorporar la estructura de detección dentro de PDMS. Estar incrustado lo protege de los contaminantes.

Poniéndolo a prueba

Para probar el dispositivo, los investigadores colocaron un "talón de presión" en la parte superior del sensor y aumentaron gradualmente la presión. En un sensor de 5 mm de largo incrustado en una hoja de 50 µm de espesor de PDMS, los investigadores midieron un cambio en la potencia óptica del 140% a una presión de aproximadamente 40 kilopascales (kPa). Esta demostración de prueba de concepto sugiere que el dispositivo es capaz de detectar una presión tan baja como 1 kPa, aproximadamente el mismo nivel de sensibilidad que un dedo humano. El cambio en la presión arterial entre latidos cardíacos es de aproximadamente 5 kPa.

Park dice que se necesitan varios pasos para mover el sensor de una demostración de laboratorio a un dispositivo práctico. Una es desarrollar una forma más sencilla de unir las fibras ópticas que mueven la luz dentro y fuera del sensor. Al desarrollar su prototipo, el equipo de investigación utilizó herramientas de alineación de precisión, que sería demasiado costoso y lento de usar en la mayoría de las aplicaciones comerciales. Un enfoque alternativo, conocidas como fibras de coleta, que utilizan las empresas de telecomunicaciones para acoplar fibras en sus sistemas, debería facilitar el proceso.

Además, el equipo probó su enfoque con un sensor unidimensional, mientras que la mayoría de las aplicaciones requerirían una matriz bidimensional de sensores. Eso probablemente se puede lograr girando una hoja unidimensional 90 grados y colocándola encima de otra, creando una matriz de trama cruzada. Es probable que el tamaño de los sensores y el espacio entre ellos también deba optimizarse para diferentes aplicaciones.